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1、第三章 开关电源中磁性器件设计,3.1 磁性器件设计基础,一 磁性能参数,1 磁感应强度 B,*方向：右手定则,*单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1 GS=10-4 T,*表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量,2 磁场强度 H,*单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）,*单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒）、麦克斯韦（Mx）,3 磁通,*穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和，即,*1 Wb=108 Mx,4 磁导率,*是表征磁场中铁芯磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。,*磁导率决定了某点磁感应强度与磁场强度的关系，即：,*1 Oe=103/4（A/m）,（2）初始磁导率,（1）真
2、空磁导率,*磁导率在磁介质中不是常数。,*是磁性材料磁化曲线始端磁导率的极限值，即：,*B 特斯拉（T）、H 安培/米（A/m）,（3）有效磁导率e,*在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率为,（4）最大磁导率,（5）动态磁导率,5 温度系数,其中,L：线圈自感、N：线圈匝数,Ae：磁芯截面积、l：磁路长度,磁导率中的最大值,在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。,*温度在T1T2范围内变化时，温度每变化一度相应磁导率的相对变化量，即：,*单位,7 电感因数AL,6 居里温度,*确定了磁性器件工作的上限温度，如铁氧体为 450度。,*1、2分别是温度为T1、T
3、2时的磁导率。,*铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到某一临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称居里温度。,*具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量，称为自感系数，即：,二 磁芯损耗,*对于一定规格的磁芯，有效磁导率与自感系数有如下关系，即：,*C是与磁芯尺寸有关的常数,*指磁芯在最大磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和剩余损耗(Pc)，即：,1 磁滞损耗(Ph),*磁滞损耗是不可恢复能量，转化为热能消耗掉。,*每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。,三 磁路基本定律（复习）,1 磁
4、通连续原理,2 安培环路定律,3 磁路欧姆定律,4 法拉第电磁感应定律,*在工作频率一定时，减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小涡流损耗。,*磁感应强度摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。,2 涡流损耗(Pe),*涡流电阻取决于材料的截面尺寸和电阻率。,*在工作频率一定时，降低矫玩力可有效降低磁滞损耗。,*为减少涡流损，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用相互绝缘的n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。,（4）测量电压或电流,四 磁性器件在电源中的作用,1 变压器的作用,（1）电气隔离,（2）通过调节变比进行升降压,（3）传递能量或信号,2 电感的作用,（1）储能,（4）与电容产生谐振,
5、（2）滤波,（3）抑制尖峰电压或电流,3.2 磁性材料和性能,一 磁芯的磁特性,1 磁化特性（B-H曲线）,2 磁饱和特性,*磁感应强度随外加磁场强度的变化曲线,*所谓磁特性就是指磁感应强度与外加磁场强度的关系,*当磁场强度足够大时，磁感应强度达到一个确定的饱和值，再继续增大磁场强度，磁感应强度保持不变。,*曲线上的Bs称饱和磁感应强度。,3 磁滞特性,将磁性材料沿磁化曲线OS 由完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再将外磁场H 减小，B 值将不再按照原来的初始磁化曲线（OS）减小，而是更加缓慢地沿较高的B 减小。即使外磁场H=0 时，B0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。,*磁
6、滞现象,*磁化的不可逆性,磁感应强度B 的改变滞后于磁场强度H 的现象称为磁滞现象。,*剩余磁感应强度Br,磁性材料磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，磁性材料中残留的磁感应强度，即称为剩余磁感应强度，简称剩磁。,*矫顽力Hc,*矩形系数,磁芯磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B 为零，需有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽力Hc。,也称矩形比，是剩余磁感应强度Br与饱和磁感应强度Bs之比。,可用来表征磁芯材料特性矩形程度的参数。,具有高矩形系数的磁芯材料适合于作以强非线性磁特性为原理的器件。,1 磁芯线圈的外加激励电压是一个纯交变量,二 工作状态,*是正负半周的波形,*幅值及
7、导通脉冲宽度相同,*如推挽式或全桥式拓扑结构,*特点及对磁芯的要求,磁感应强度B在Bm之间变化，其变化量,磁芯利用率高，一般取BmBs。,Bs越大，Bm可取得大，磁芯的体积、重量就可减小，所以应选取高饱和磁感应强度的材料。,磁芯损耗大,应选取磁滞回线窄及电阻率高的材料,磁芯沿整个磁滞回线交替变化，所以损耗较大。,工作频率高时，尤为突出。,为减小激励电流，应选高磁导率的材料。,(2)加在磁芯线圈的激励电压为单向脉冲,*一般是矩形，如单端正激的变压器或驱动变压器等。,磁滞损耗小,(3)流过线圈的电流中具有较大的直流分量,*叠加一交流分量,*特点及对磁芯的要求,，为不使磁芯饱和，应取BmBs。,*磁
8、芯的磁化状态沿局部磁滞回线变化,*直流滤波电感，储能电感等工作于此状态。,即：,磁芯利用率低，为增加，应选高Bs、低剩磁的材料。,虽然加气隙，可降低剩磁，但气隙大会增加激励电流，增加铜损。,交变磁化分量小、损耗小。,含较大直流分量，为使磁芯不饱和，必须加适当的气隙。,三 常用磁性材料,此类磁芯希望其最大储能大，要求最大磁感应强度大。,*特点及对磁芯的要求,*如果磁滞回线很宽，即Hc 很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，我们称这类材料为硬磁材料。,*按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。,*如铝镍钴，钐钴
9、，钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。,软磁性材料：磁滞回线较窄，矫顽力小。,硬磁性材料：磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁大。,*另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁，这类材料为软磁材料。,*开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体、非晶态合金等。,对比：,（1）铁氧体的组成,1 铁氧体,在开关电源中，应用得最多的材料是软磁铁氧体。,*铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好。,*铁氧体成分一般是氧化铁和
10、其它金属成分组成MeFe2O3。其中Me 表示一种或几种2 价过渡金属，如锰(Mn)，锌(Zn)，镍(Ni)，钴(Co)，铜(Cu)，铁(Fe)或镁(Mg)。,*最普通的组合是锰和锌(MnZn)，或镍和锌(NiZn)，再加入其它金属，达到所希望的磁特性。,*镍锌(NiZn)铁氧体具有更高的电阻率，因此它适合工作在1MHz 以上的场合。,*而锰锌(MnZn)铁氧体电阻率较低，通常工作在1MHz 以下，但具有很高的磁导率和较高饱和磁感应强度。,（2）铁氧体应用参数,*铁氧体除了一般磁材料的参数外，还有有效磁芯尺寸、电感系数等。,*为了使磁芯电感容易计算，给出电感系数AL，它表示磁芯具有1 匝（或规
11、定整数匝，例如1000 匝）线圈时的电感量。,*如果线圈为N 匝，电感量为：,*当AL 为1000 匝时电感量，N 匝线圈电感量为：,（3）材料性能,电阻率(),锰锌铁氧体0.120m、镍锌铁氧体为104106m。,电阻率还与温度和测量频率有关。,磁化曲线,右图是某型号铁氧体的低频磁滞回线,由于在铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过程是缓慢的。,(4)优点,*电阻率高,*磁导率随频率的变化特别稳定,*形状、种类丰富，应用方便,*可广泛用于变压器电感等磁性器件的设计,(5)缺点,*饱和磁感应强度小,*温度稳定性差,*力学性能差、脆,磁芯损耗和工作频率与磁感应强度变化范围有关，可参考赵修
12、科开关电源中磁性元器件。,磁化曲线与温度的关系，在100时，饱和磁感应强度由常温（25）的0.42T 下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑这一因素。,损耗,（6）形状和规格,罐形,PQ形,EE形,EI形,U形,*是一种由几类材料复合而成的复合型铁芯,*由于是将磁性材料与非导磁材料粉末复合而成，相当于在铁芯中加了气隙，具有在较高磁场强度下不饱和的特点。,*但其相对磁导率较低，通常在20300之间，主要用于制作滤波电感，其结构以环形为主。,2 磁粉芯,3 非晶态合金,*非晶合金是近20年刚刚发展起来的一种新型磁性材料,*它们在化学成分上的一个共同点是：由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴
13、、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。,（1）什么是非晶合金和微晶合金,非晶合金是将金属合金加热后由气态或液态从超薄间隙快速喷出，快速冷却（每秒几万度）所形成的非晶体状态微米级超薄金属带。,微晶合金则是对铁基非晶合金经过处理而形成的更薄的金属带。,（2）非晶合金的分类,特点是磁性强（饱和磁感应强度可达T）、软磁性能优于硅钢片；,*铁基非晶合金：,主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等；,价格便宜，最适合替代硅钢片，作为于中低频变压器的铁芯（一般在10千赫兹以下）；,例如配电变压器、中频变压
14、器、大功率电感、电抗器等。,例如漏电开关、互感器。,*铁镍基非晶合金：,主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成；,磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下）；,价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯；,*钴基非晶合金：,由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素；,由于含钴，价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强度一般在1T以下），但磁导率极高；,一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。,*铁基纳米晶合金（超微晶合金）：,它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素；,首先被制成非
15、晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织；,这种材料便宜，但磁性能极好，几乎能够和钴基非晶合金相媲美；,是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。,（3）非晶合金和微晶合金的特点,*电阻率可达120150，为冷轧硅钢片的3倍，但远不如铁氧体；,*电阻温度系数小，可以为零或负值；,*居里温度高，可达350700C；,*饱和磁密度高，可达1.21.6T，比铁氧体高得多；,*矫顽力小，为硅钢片的几十分之一，铁芯损耗小；,*温度稳定性不好，从25 C升到250 C时，Bs 降低30，Hc增大20%；,*常见的形状有环形和矩形。,（4）形状和规格,*由于
16、比较脆，所以一般都制成环形或比较简单的闭合式C型（近似矩形）铁芯。,*一般都不开气隙，因为性能会变坏，导致损耗增加。,四 对磁芯的基本要求,1 磁导率高,2 矫顽力低,3 高电阻率,*磁感应强度B=H，因此在一定的磁场强度(H)下，B 值取决于材料的值，对要求一定磁通量(BS)的磁器件，选用值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流值，从而降低磁元件的体积。,*材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小。,*在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。,4 具有较高的饱和磁感应强度,*磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。,
17、*在低频时，最大工作磁通密度受饱和磁通密度限制；但在高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取，饱和磁通密度大小并不重要。,3.3 功率变压器的设计,一 设计中的一般性问题,（1）双端功率变压器,1 功率变压器的工作状态,*全桥、半桥、推挽等拓扑中的变压器,*变压器原边绕组在一个周期的正、负半周加上一个幅值和脉宽均相同而方向相反的脉冲电压（一般是矩形波）。,*正负半周的激励电流大小相等、方向相反，磁心中产生的磁通沿交流磁滞回线对称地上下移动，磁心工作在整个磁滞回线上。,*在一个周期中，磁感应强度B从正最大值变化到负最大值，磁心中的磁化分量基本为零。,*单管正激、单管反激、双管正激、双管反激等拓扑中
18、的变压器。,（2）单端功率变压器,*当施加在变压器正、负两个半周内的电压或脉宽不同时，磁通的零线会向一个方向偏移，严重时可导致开关管损坏，应设法解决。,*变压器原边绕组在一个周期内加上一个单向脉冲电压，磁心中的磁通单向沿交流磁滞回线的第一象限部分上下移动。,*在一个周期中，磁感应强度B在Bm到Br之间变化。,2 合理设计开关频率,*考虑：,输出功率大小,使用的功率器件,电力电子电路（硬开关还是软开关）,变压器的可实现性和合理的成本,3 磁芯结构的选择,漏感要小,便于绕制、维护和生产,有利于散热,4 工作磁感应强度的选取,*考虑：,可选取较小的磁感应强度或设法减小合闸启动瞬间的磁感应强度，可采取
19、以下措施：,要保证在规定的环境温度、输入电压和输出负载范围内变压器不饱和。,*考虑：,*选择不当：容易在合闸启动瞬间发生饱和、损坏功率管,*如何防止,小型化、低损耗,当交变电流通过导体时，会产生集肤效应，表现为导体中电流密度由导体表面向中心越来越小，分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称为“集肤效应”，亦称“趋肤效应”。,5 集肤效应,(1)什么是集肤效应？,(2)衡量标准,*是用穿透深度来表征的，用表示。,*定义为电流密度下降为表面电流密度的1/e处的深度。,降压启动,窄脉冲启动,选取工作磁感应强度，以增加体积为代价。,式中，穿透深度，单位为mm。km 与温度等有关的常数，例如铜：
20、100时，km=75，20时，km=65.5。f 频率，单位Hz。K 材料常数。,*,（3）产生的影响,*使导线有效导电面积减小，电流密度有所提高，引起铜耗增加，效率下降。,*导体中的交流电阻比直流电阻要大。,*因此工作于高频的变压器就需考虑这一影响，当绕组中电流的频率增高到高频段时，由于集肤效应的影响，绕组电阻增大，导致绕组损耗增加。交变频率越高，电阻的增大也越多。,（4）减小集肤效应影响的方法,*在选用绕组导线线径时，应遵循小于两倍穿透深度；,*当导线要求的截面大于由穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的多股导线并绕；,*副边大电流绕组最好能采用宽而扁的铜带，宽度和变压器磁芯窗口的高
21、度接近，厚度则以穿透深度的两倍来限制。,6 设计时应注意的问题,（1）传输功率要有一定裕量；,（2）当输入电压和占空比最大时，磁芯应不饱和；,（3）遵循变压器铜损与磁芯的铁损相等的设计原则；,（4）原边电感量,*正激式拓扑中，原边电感量必须尽量大；,*反激式拓扑中，原边电感量符合为获得所需功率而规定的数值。,二 功率变压器磁心尺寸计算,1 双端工作的方波变压器,原边电压有效值,副边电压有效值,原边电流有效值,副边电流有效值,N1、N2为变压器原副边绕组匝数，Ae为铁心截面积，Ke为铁心截面积有效系数，AW为铁心窗口面积，KW为铁心窗口利用系数，J为导线电流密度。,由以上公式可推出,K 波形系数
22、，方波取4。,方波有两种，有死区和无死区。,设变压器输出功率为P0，输入功率为P1，效率为,*无死区方波有效值和幅值相等,*有死区方波有效值和幅值不相等,2 单端正激工作的方波变压器,*磁芯只工作在第一象限,*单端工作时，磁芯利用率低。,3 其他表达形式,（1）如果Ae、Aw用cm2表示，电流密度用A/cm2表示，则公式右边都要乘以104。,（2）如果把电流密度换算成电流密度比例系数KJ，则有：,其中X为常数，由磁芯给出，一般取：,这样，可导出以下公式：,无死区,单端正激,有死区,（3）以上所有公式属于面积乘积法，即AP法。,（4）另外，还有几何参数法。,三 功率变压器设计步骤,1、确定拓扑结
23、构，工作频率,2、确定变比n,原则保证在最低输入电压时，能输出所要求的最高电压，此时变换器工作在最大占空比。,原边最低输入电压决定了副边的最低输出电压,式中：UF 输出整流二极管的压降，UX 输出绕组内阻上的压降。,3、确定铁芯材料，最大磁感应强度,*根据开关频率和电源容量可决定铁芯的材料和形状，并可进一步确定铁芯截面有效系数。,4、确定导线电流密度J,*最大磁感应强度的确定要考虑以下因素：,A 拓扑形式,B 开关频率,C 散热条件,D 最大允许温升,E 功耗,*工频变压器,*高频变压器,自然冷却,风冷,5、确定窗口利用系数,*确定电流密度时要考虑以下因素：,A 开关频率,B 集肤效应,C 散
24、热条件,D 最大允许温升,*选大了，绕组可能绕不下；,*选小了，铁芯利用率降低了。,*确定窗口利用系数时要考虑铁芯的形状、尺寸、绕组的组成、开关频率、绕制工艺，一般可取,*对于小功率变压器，导线用漆包线。,*对于大功率变压器，导线面积大，绝缘材料多。,*如大功率变压器的绕组匝数很少,6、变压器效率,*变压器的效率由铁损和铜损决定；,*根据散热条件不同，效率在,*在选择最大磁感应强度和电流密度时，就已分别限制了铁损和铜损。,7、计算AP值,*利用前面介绍的计算公式,9、绕组匝数,*双端工作的变压器,*单端工作的变压器,*副边绕组匝数,10、导线截面积,8、选择铁心,*铁芯的型号和规格是标准的；,
25、*选取时，应该取实际的AP值稍大于计算值。,11、核算窗口系数,12、计算励磁电感、励磁电流,*实际的窗口系数为,*要求,*励磁电感,*励磁电流,13、绕制，测试,3.4 电感的设计,一 直流滤波电感的设计,1、需要考虑的因素,*流过的直流成分,*峰-峰值,*所需的电感量,*损耗和温升,2、确定电感量,以输出滤波电感为例,在工作频率、线圈激励电压、纹波电流给定的情况下，电感量应在最低纹波所需要的最大值和对负载变化快速响应需要的最小值之间折中考虑。,当负载恒定不变时，设：,Ilmax 线圈电流最大值；,Ilmax 线圈电流最小值；,Ilmax 最大纹波。,DTtT,0tDT,当t=T时：,电感量
26、的下限由电流变化量决定,当电感电流连续时：,当负载突然变化时，占空比由D1变化到D2,一个周期结束时,电流在一个周期开始和结束时的最小值之差,负载变化后，电流达到新值所需要时间为,如果给定tR为tRC,占空比由Dmin变化到Dmax 时变化最大,3、设计方法,（1）计算储存能量,（2）选择磁芯材料,（决定最大磁通密度的是最大电流）,*根据交流成分I 所占的比例、频率确定磁芯材料。,*材料确定后，可确定最大磁通密度、磁芯截面系数。,综合考虑两个方面的因素，电感量为,（3）选择磁芯形状，确定窗口利用系数,（4）确定导线电流密度J。,（5）选择磁芯型号,*注意，最大磁通密度要留有较大余量，以保证在输
27、出短路半个周期内电感不饱和，以使保护电路动作。,*根据所确定的磁芯材料、绕制工艺、安装结构选择磁芯形状。,*根据电流等级，选择导体类型，确定窗口利用系数。,*根据散热条件、要求的铜损、磁芯的形状和线包的允许温升，选择合适的电流密度。,（8）计算气隙,（7）计算匝数,（6）计算导线截面积,（9）计算边缘磁通因数F，并进行修正,G 磁芯窗口的高度,核算出最大磁感应强度要小于前面选定的值,4、设计方法（2）,（1）选择磁芯,（10）核算最大磁感应强度,（2）计算匝数,（3）计算导线截面积,（4）计算气隙,窗口利用系数Kw，环型可取0.4，EI、EE型可取0.8，罐型可取0.30.6。,二 交流滤波电
28、感的设计,（1）计算电感的视在功率,U、I 分别为加在电感上的电压有效值和流过电感的电流有效值。,（2）选择磁芯材料,根据频率确定磁芯材料。,（3）选择磁芯形状，确定窗口利用系数,（4）选择磁芯型号,（6）计算匝数,（5）计算导线截面积,（7）其他同直流,3.5 电流互感器的设计,一 基本原理,由变压器的工作原理,可得到,同时,r2副边绕组的内阻,二 基本设计方法,已知原边电流,（1）计算副边电流,（2）计算副边匝数,（3）计算磁芯截面积,（4）计算磁芯窗口面积,*根据（3）中计算选定型号后，可查得AP值。,*根据AP值，计算磁芯窗口面积。,*计算磁芯有效窗口面积,（5）计算副绕组导线截面积,（6）注意,*副边不能开路；,*副边电压输出不够大时，可加一级放大器；,*该部分内容可参考张占松的开关电源的原理与设计,*计算副边绕组占磁芯窗口面积,
